• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
148
Раздел: Физика
ЛСЭ: мягкое прикосновение лазера

ЛСЭ: мягкое прикосновение лазера

Чтобы перевернуть мир, Архимеду нужна была точка опоры. В науке ее роль зачастую играет любой новый метод исследования, чье появление вызывает резкий и неожиданный подъем в смежных науках. У лазера на свободных электронах из Сибирского центра фотохимических исследований — плода научного содружества, созданного под "знаком сигмы", — есть все шансы стать в этом смысле хрестоматийным примером…

Широко ныне известный метод масс-спектрометрии в свое время произвел настоящую революцию в химии. По сей день для любого вещества, которое можно перевести в газовую фазу, может быть записан масс-спектр, на основе материнского пика которого можно определить его молекулярную массу, а по анализу масс-спектра фрагментов — структуру молекулы. Препятствием же к использованию масс-спектрального анализа в биологии до сих пор служили не столько огромная масса биологических макромолекул, сколько невозможность перевести их в газовую фазу.

Эта трудность была преодолена с появлением методики MALDI (matrix assisted laser desorbtion/ionization), при которой на вещество, помещенное в специальную матрицу, воздействуют мощным УФ-лазерным импульсом длительностью 10-9—10-6 с. При этом происходит процесс так называемой абляции (возгонки) исследуемого вещества, причем молекулы и их осколки вылетают с поверхности подложки в виде ионов и попадают в масс-спектрометр с высоким разрешением. Поскольку энергия кванта излучения таких лазеров довольно высока, происходит фотохимическая диссоциация, то есть разрушение молекул анализируемого образца.

Поэтому для исследователей было бы крайне заманчи­вым получить в свое распоряжение метод, позволяющий проводить «мягкую», без деструкции объекта, лазерную абляцию биологических макромолекул, которые затем можно регистрировать в газовой фазе в виде аэрозольных частиц. Идея эта была реализована в нашем Сибирском центре фотохимических исследований с запуском первой очереди лазера на свободных электронах (ЛСЭ), разработанного в ИЯФ СО РАН.

История Центра началась в 1992 г., когда директор ИЯФ ак. А. Н. Скринский пригласил все заинтересованные стороны на свой традиционный «круглый стол» и рассказал о проекте создания ЛСЭ, излучение которого можно было бы плавно перестраивать по длинам волн в инфракрасном диапазоне от 2 до 200 мкм. Это громадный диапазон, перекрывающий колебательные и вращательные спектры почти всех существующих молекул. Был задан вопрос: готовы ли химики использовать такое излучение? Ответ был моментальным: да, конечно!

Дело в том, что наше подразделение по сей день носит название лаборатория лазерной фотохимии. К тому времени у нас был накоплен 20-летний опыт исследований реакционной способности молекул, колебательно возбужденных под действием монохроматического излучения CO2-лазера. К сожалению, этот лазер генерирует излучение в достаточно узком диапазоне длин волн около 10 мкм, поэтому исследователи вынуждены подбирать молекулы, имеющие колебания именно в этой области. Очевидно, что появление универсального источника монохроматического излучения позволило бы селективно воздействовать на любые колебания в любых молекулярных системах.

Однако для реализации задуманного недостаточно было иметь красивую физическую идею, тщательно просчитанный проект и даже сделанные «в железе» узлы и комплектующие. Нужно было соответствующее немаленькое помещение, желательно с радиационной защитой… Помог случай и тогдашний председатель СО РАН академик В. А. Коптюг. К этому времени были остановлены работы в специализированном корпусе Института химической кинетики и горения с 50-метровым ускорительным залом, защищенным трехметровым бетоном. Тут-то и появилась идея создания на этой базе объединения —центра коллективного пользования для проведения фундаментальных и прикладных исследований в физике, химии, биологии и медицине.

Постановление о создании Центра было подписано В. А. Коптюгом 15 декабря 1992 г. В нем предусматривалась перспектива «…придания Центру статуса международного», а базовыми институтами Центра были определены институты Химической кинетики и горения и Ядерной физики СО РАН.

К постановлению был приложен «План-график проектно-монтажных работ по созданию ЛСЭ», по которому «получение заданных параметров и работа на эксперимент» были намечены на 1996 г. Указаны были и источники финансирования: РАН, Мини­стерство обороны России, дирекция СОИ США, Национальное агентство по космосу и аэронавтике США и поступления по международным договорам ИЯФ. Однако вскоре пришли трудные для страны и для отечественной науки годы перестройки. Все источники финансирования рухнули. И хотя наличие готового подходящего здания почти в два раза удешевило проект, ситуация казалась безысходной...

Сегодня, оглядываясь в прошлое, хочется в прямом смысле слова пропеть гимн героическому коллективу ИЯФ, который продолжал работать и заметную часть заработанных по договорам средств вкладывал в создание ЛСЭ.

Трудности сплотили нас. Мы регулярно собирались на семинары, планерки, обсуждали текущие дела, радовались даже малым успехам, мечтали, строили планы на будущее. Как могли, помогали и поддерживали друг друга: за все годы, которые ушли на создание ЛСЭ, не могу вспомнить ни одного конфликта.

Все эти годы ИЯФ регулярно проводил международные конференции по синхротронному излучению и ЛСЭ. Сначала мы, химики, были благодарными слушателями и учениками, а через несколько лет уже сами стали делать научные доклады по использованию излучения ЛСЭ.

Дело в том, что в 1994 г. мы предложили использовать излучение ЛСЭ для разделения изотопов. Дж. Мэйди, профессор Университета Дюка (Северная Каролина) (первый, кто построил лазер на свободных электронах и дал ему такое название), пригласил нас к себе проверить эту возможность на его ЛСЭ, по энергии импульса в 1000 раз уступавшему нашему будущему лазеру. Шансов было мало, но мы рискнули, и за два непродолжительных визита в 1995—96 гг. мне и моим коллегам д. х. н. Е. Н. Чеснокову и к. х. н. С. Р. Горелику удалось разделить молекулы муравьиной кислоты и нитрометана с разными изотопами углерода, кислорода и азота.

Сама идея была прозрачной. Наличие изотопных атомов в молекуле приводит к соответствующему расщеплению в колебательном спектре. Излучение ЛСЭ можно резонансно настроить только на одну изотопную разновидность молекулы и, соответственно, диссоциировать только ее. Эта работа не осталась незамеченной научной общественностью, и в 2001 г. проф. Х. Курода из Токийского исследовательского университета предложил нам попытаться разделить изотопы кремния — важнейшего элемента для высоких технологий — на своем ЛСЭ. К этому времени стало известно, что монокристалл из кремния-28, очищенного от других изотопов (29 и 30), обладает значительно более высокой теплопроводностью. За две недели подготовки и одни(!) сутки работы нам удалось увеличить содержание кремния-28 в молекуле фенилтрифторметана с 92 (природное содержание)
до 98 %.

Эксперименты были остановлены из-за поломки лазера, мощность которого была недостаточной для такой работы, но это стало убедительной демонстрацией возможностей нового метода. А с учетом возможностей нашего будущего лазера у последнего есть шансы перерасти в настоящую технологию.

Пока мы «резвились» на чужих установках, наши друзья-физики продолжали напряженно работать над монтажом сибирского лазера. И вот пятничным вечером 4 апреля 2003 г. была получена первая генерация излучения с перестройкой длины волны в диапазоне от 100 до 200 мкм.
Это был праздник, которого ждали 10 лет! Это значило, что расчеты, конструирование и монтаж верны, мы на правильном пути. Участники запуска, наши коллеги из ИЯФа д.ф.-м.н. Н. А. Винокуров, к.ф.-м.н. А. Д. Орешков, М. А. Щеглов, В. В. Кубарев, Д. А. Кайран, О. А. Шевченко; А. Н. Матвеенко, Л. Э. Медведев обзвонили всех кого могли. Приехали академики А. Н. Скринский и Г. Н. Кулипанов, мы с к.ф.-м.н. В. М. Попиком поспешили на импровизированное торжество прямиком из сауны. Все собрались в пультовой и пили за успех шампанское прямо из чайных чашек…

Вскоре в ускорительном зале были проведены первые эксперименты, за которыми наблюдали с помощью кинокамеры. Следующим этапом был вывод излучения из зала, поскольку находиться там во время работы ускорителя нельзя. На это ушел еще год. Уже на первой станции все потенциальные пользователи по очереди начали проверять свои идеи, ставить эксперименты. Еще через год у нас заработало пять экспериментальных станций, на которых сегодня реализуют свои проекты сотрудники самых разных институтов Сибирского отделения — физики, химики, биологи.

У ученых в руках появился новый исследовательский инструментарий с уникальными и не до конца познанными возможностями. Но, помимо научно-познавательного, у нашего лазера имеется огромный «технологиче­ский» потенциал в самых разных прикладных областях, включая биотехнологию, медицину, нанотехнологию, производство сверхчистых веществ… Один пример: «мягкая» абляция под действием субмиллиметрового излучения лазера не разрушает природную структуру перешедших в аэрозольную фазу биологических макромолекул, которые можно «поймать» и закрепить
на различных подложках. Вот вам прямой путь к созданию микрочипов, миниатюрных диагностических планшетов для медицинских целей.

Реальная отдача от нашего ЛСЭ видна уже сегодня, и мы ожидаем, что в течение ближайшего времени число пользователей резко возрастет. Люди будут приходить в наш Центр, генерировать идеи, разрабатывать -проекты… Ведь все только начинается.

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments